L'évolution et la sélection naturelle ont lieu au niveau de l'ADN, car les gènes mutent et les traits génétiques persistent ou se perdent avec le temps. Mais maintenant, les scientifiques pensent que l'évolution peut avoir lieu à une toute autre échelle - transmise non pas par des gènes, mais par des molécules collées à leurs surfaces.
Ces molécules, connues sous le nom de groupes méthyle, modifient la structure de l'ADN et peuvent activer et désactiver les gènes. Les altérations sont connues sous le nom de «modifications épigénétiques», ce qui signifie qu'elles apparaissent «au-dessus» ou «au-dessus» du génome. De nombreux organismes, y compris les humains, ont de l'ADN parsemé de groupes méthyle, mais des créatures comme les mouches des fruits et les vers ronds ont perdu les gènes nécessaires pour le faire au cours de la période d'évolution.
Un autre organisme, la levure Cryptococcus neoformans, a également perdu des gènes clés pour la méthylation au cours du Crétacé, il y a environ 50 à 150 millions d'années. Mais remarquablement, dans sa forme actuelle, le champignon a toujours des groupes méthyle sur son génome. Maintenant, les scientifiques théorisent que C. neoformans a pu s'accrocher à des modifications épigénétiques pendant des dizaines de millions d'années, grâce à un nouveau mode d'évolution, selon une étude publiée le 16 janvier dans la revue Cell.
Les chercheurs à l'origine de l'étude ne s'attendaient pas à découvrir un secret bien gardé de l'évolution, l'auteur principal, le Dr Hiten Madhani, professeur de biochimie et de biophysique à l'Université de Californie à San Francisco et chercheur principal au Chan Zuckerberg Biohub, a déclaré Live Science.
Le groupe étudie généralement C. neoformans pour mieux comprendre comment la levure provoque une méningite fongique chez l'homme. Le champignon a tendance à infecter les personnes dont le système immunitaire est faible et provoque environ 20% de tous les décès liés au VIH / sida, selon un communiqué de l'UCSF. Madhani et ses collègues passent leurs journées à fouiller le code génétique de C. neoformans, à la recherche de gènes critiques qui aident la levure à envahir les cellules humaines. Mais l'équipe a été surprise lorsque des rapports ont émergé suggérant que le matériel génétique était orné de groupes méthyle.
"Quand nous avons appris eu une méthylation de l'ADN… Je pensais que nous devons regarder cela, ne sachant pas du tout ce que nous trouverions », a déclaré Madhani. Chez les vertébrés et les plantes, les cellules ajoutent des groupes méthyle à l'ADN à l'aide de deux enzymes. Le premier, appelé "de novo méthyltransférase", colle des groupes méthyle sur des gènes non ornés. L'enzyme poivre chaque moitié du brin d'ADN en forme d'hélice avec le même motif de groupes méthyle, créant une conception symétrique. Pendant la division cellulaire, la double hélice se déroule et construit deux nouveaux brins d'ADN à partir des moitiés correspondantes. À ce stade, une enzyme appelée «méthyltransférase d'entretien» se précipite pour copier tous les groupes méthyle du brin d'origine sur la moitié nouvellement construite. Madhani et ses collègues ont examiné les arbres évolutifs existants pour retracer l'histoire de C. neoformans à travers le temps, et a constaté que, pendant la période du Crétacé, l'ancêtre de la levure avait les deux enzymes nécessaires à la méthylation de l'ADN. Mais quelque part le long de la ligne, C. neoformans perdu le gène nécessaire à la fabrication de novo méthyltransférase. Sans l'enzyme, l'organisme ne pourrait plus ajouter de nouveaux groupes méthyle à son ADN - il ne pourrait copier les groupes méthyle existants qu'en utilisant son enzyme d'entretien. En théorie, même en travaillant seule, l'enzyme de maintenance pourrait garder l'ADN recouvert de groupes méthyle indéfiniment - si elle pouvait produire une copie parfaite à chaque fois. En réalité, l'équipe a découvert que l'enzyme fait des erreurs et perd la trace des groupes méthyle à chaque fois que la cellule se divise. Lorsqu'il est élevé dans une boîte de Pétri, C. neoformans les cellules ont parfois gagné de nouveaux groupes méthyle par hasard, de la même manière que des mutations aléatoires se produisent dans l'ADN. Cependant, les cellules ont perdu des groupes méthyle environ 20 fois plus vite qu'elles ne pouvaient en gagner de nouveaux. Dans environ 7500 générations, chaque dernier groupe méthyle disparaîtrait, ne laissant rien à copier sur l'enzyme d'entretien, a estimé l'équipe. Étant donné la vitesse à laquelle C. neoformans se multiplie, la levure aurait dû perdre tous ses groupes méthyle en 130 ans environ. Au lieu de cela, il a conservé les modifications épigénétiques pendant des dizaines de millions d'années. "Parce que le taux de perte est plus élevé que le taux de gain, le système perdrait lentement la méthylation au fil du temps s'il n'y avait pas de mécanisme pour le maintenir", a déclaré Madhani. Ce mécanisme est la sélection naturelle, a-t-il dit. En d'autres termes, même si C. neoformans gagnait de nouveaux groupes méthyle beaucoup plus lentement qu'elle ne les perdait, la méthylation augmentait considérablement la "forme physique" de l'organisme, ce qui signifiait qu'elle pouvait surpasser les individus avec moins de méthylation. Les individus «en forme» ont prévalu sur ceux avec moins de groupes méthyle, et ainsi, les niveaux de méthylation sont restés plus élevés sur des millions d'années. Mais quel avantage évolutif ces groupes méthyle pourraient-ils offrir C. neoformans? Eh bien, ils pourraient protéger le génome de la levure contre des dommages potentiellement mortels, a déclaré Madhani. Les transposons, également connus sous le nom de «gènes sauteurs», sautent dans le génome à volonté et s'insèrent souvent dans des endroits très peu pratiques. Par exemple, un transposon pourrait sauter au centre d'un gène nécessaire à la survie cellulaire; cette cellule pourrait mal fonctionner ou mourir. Heureusement, les groupes méthyle peuvent s'accrocher aux transposons et les verrouiller en place. Il se peut que C. neoformans maintient un certain niveau de méthylation de l'ADN pour contrôler les transposons, a déclaré Madhani. "Aucun site individuel n'est particulièrement important, mais la densité globale de méthylation sur les transposons est sélectionnée pour" sur des échelles de temps évolutives, at-il ajouté. "La même chose est probablement vraie dans nos génomes." De nombreux mystères entourent encore la méthylation de l'ADN C. neoformans. Outre la copie des groupes méthyle entre les brins d'ADN, la méthyltransférase de maintenance semble être importante en ce qui concerne la façon dont la levure provoque des infections chez l'homme, selon une étude de 2008 par Madhani. Sans l'enzyme intacte, l'organisme ne peut pas pirater les cellules aussi efficacement. "Nous n'avons aucune idée de pourquoi il est nécessaire pour une infection efficace", a déclaré Madhani. L'enzyme nécessite également de grandes quantités d'énergie chimique pour fonctionner et ne copie que les groupes méthyle sur la moitié vierge des brins d'ADN répliqués. En comparaison, l'enzyme équivalente dans d'autres organismes ne nécessite pas d'énergie supplémentaire pour fonctionner et interagit parfois avec l'ADN nu, dépourvu de tout groupe méthyle, selon un rapport publié sur le serveur de préimpression bioRxiv. De nouvelles recherches révéleront exactement comment fonctionne la méthylation dans C. neoformanset si cette nouvelle forme d'évolution apparaît dans d'autres organismes.
